高温高压法——合成钻石

一、概述

众所周知，钻石是由单元素碳组成的宝石。在自然界，钻石的生成是在高温高压下地质作用的结果。合成钻石就是人工模拟天然钻石形成的条件，让非钻石结构的碳转化为钻石结构的碳。早在1953年，瑞士工程公司(ASEL)就利用一种称为“压力球”的装置成功地合成出了40颗小的钻石晶体，但直到1955年美国通用电气公司(gE)宣布利用称为“压带”的装置首次成功生产出钻石时，他们才将其研究成果公布于众。戴比尔斯公司(de Beers)也不甘落后，于1959年掌握了合成钻石的复杂技术。他们所采用的方法与美国政府下令严格保密的通用电气公司所使用的方法非常相似。60年代初期，戴比尔斯公司和通用电气公司就开始了生产工业用合成钻石粉。我国在60年代也已成功的合成了磨料级钻石，并投入生产。1971年，通用电气公司宣布他们已合成出了平均直径为6mm的钻石晶体。这些钻石晶体不仅有**、褐色的，也有含氮低的近无色的，还有含硼的蓝色钻石。1985年日本住友电气公司(Sumitorno Electric Industries)开始加入合成钻石行列，1993年生产出高净度的工业用钻石。1990年俄罗斯的新西伯利亚(Novosibirsk )宣布他们利用“分裂球”(Spl(it-sphere)或称BARS装置已成功地合成出了钻石。

由于受超高压设备和高温条件的限制，生产成本较高，故宝石级合成钻石仍是昂贵和稀少的，但我们相信总有一天会有价格合理的宝石级合成钻石面世。

二、合成钻石的原理

1碳元素的化合物

钻石、石墨和无定性碳都是由碳原子组成的，它们不同的外观和截然不同的物理性质，取决于它们完全不同的原子结构(图9-7-1)。

图9-7-1 碳原子的等间距紧密堆积结构(左)钻石；层状结构(右)石墨

2石墨—钻石的转换

合成钻石的温压条件要求高，即使有催化剂存在下，仍需要压力(50～80)×108Pa，温度为1350～1800℃。用高压设备合成钻石最常用的金属熔剂(催化剂)是铁、镍、钴及钯。图9-7-2是在碳稳定相图中，合成钻石区晶形与温压关系。在合成钻石区，温度压力不同，钻石的晶形也各不相同。所以，合成钻石受温压影响较大。温度较低时，以立方体的生长为主；温度较高时，以八面体的生长为主。所以人工生长的钻石多为立方-八面体聚形。

合成钻石的碳源一般用石墨，所以，合成钻石的生产就是石墨转换成钻石的过程，不过，宝石级钻石的合成分两步走，先用石墨合成钻石粉(工业磨料)，再用钻石粉作原料，合成宝石级钻石，钻石粉可以保持压力稳定，生长出大颗粒的晶体。若采用石墨，其断裂的碳键改组成钻石时，会有体积损失，而使体系的压力降低，影响较大晶体的生成。

三、合成钻石的技术与设备

1六面顶压机

合成钻石的设备目前多采用高温高压的压机，国内的合成钻石主要是工业钻(即工业金刚石)，设备是一种称为“立方体超高温高压装置”的压机，压机采用油压和垂直固体传压装置，根据顶锤数量的不同，分为两面顶、四面顶、六面顶几种。现国内用得最多的是六面顶压机(即上下、前后、左右三对顶锤)，其工作压力有1000～5000吨的多种，工作空间640mm×600mm×500mm，一般是上下顶锤通电加热，温度可达1900℃左右。

2“压带”法

压带装置如图9-7-3所示，本方法与顶锤压机大同小异，将钻石粉末作为碳源放在生长舱内，生长舱放在特种材料做成的垫圈中，并放在两个铁砧之间，然后使生长舱内的原料经受极高的温度和压力，在生长舱内底部比顶部的温度低，以便形成一个温度梯度，使顶部的钻石粉充分熔化并通过熔剂向生长舱底部迁移。在温度较低的生长舱底部，钻石围绕籽晶生长成钻石晶体。

图9-7-2 碳稳定相图中，合成钻石区晶形与温压关系

图9-7-3 压带装置

3BARS装置

BARS是“分裂球无压装置”的俄文词头字母缩写。该装置中所需压力是采用液压的方式，通过将液体注入压力罐内得到，而不是用巨大的水压机提供。液压使球体装置的8个部分合在一起，并在由6个活塞构成的八面体上产生压力。八面体内有一个立方体的生长舱，其中装有加热设备、籽晶、碳源(钻石粉)以及金属熔剂。在这种装置中，常用镍作熔剂。图9-7-4是BARS装置的生长舱及其截面图。

图9-7-4 BARS装置的生长舱及其截面图

以上不同设备和方法，应属于不同的静压触媒法。除此之外，合成工业级钻石还有许多种方法，只是有的方法还不成熟，有的方法已被淘汰。如：爆炸法、液中放电法、气相沉积法、地下核爆炸法等等。气相沉积法近年来有很大的发展。

四、合成钻石的鉴别特征

由于合成钻石的技术条件要求高，成本昂贵，目前尚无法大规模工业化生产，市场上销售的钻石一般不需要声明它的天然属性。但是，区别合成钻石与天然钻石仍有一些方法可遵循。

1合成钻石的颜色

由于很难排除掉生长舱中的氮，大部分合成钻石多为含孤氮杂质的Ib型钻石，常呈**至褐**。有时也在生长舱中引入硼原子，随机取代钻石结构中的碳原子，产生具有导电性的蓝色IIb型钻石。为了生长出无色的合成钻石，常使用一种称为“氮吸收剂”的金属，如锆或铝。因为氮更易与这些元素结合，而不再取代钻石中的碳原子，这样就产生了无色的IIa 型钻石。所以，合成钻石很少出现 Ia 型钻石(该型钻石约占天然钻石的98%)。

2吸收光谱

绝大多数天然钻石(Ia型)显示415nm吸收线，而合成钻石无这种特征吸收线。

3紫外荧光

通常合成钻石在短波紫外线下的荧光比长波下的荧光强，且荧光颜色为**或黄绿色，而不是天然钻石的蓝或蓝绿色。合成钻石紫外荧光的颜色分带式样所表现的立方-八面体式样，与天然钻石的八面体式样也是完全不同的。

4包裹体

合成钻石有时会出现金属熔剂、尘状物、面包渣状包裹体，及“砂漏状”色带。

5仪器

针对合成钻石的性质特征，戴比尔斯公司研制了两种鉴别合成钻石的仪器。即钻石光谱鉴定仪(Diamondsure)和钻石结构荧光鉴定仪(DiamondView)。利用钻石光谱鉴定仪可观察到大部分天然钻石中的415nm吸收线。如果发现有415nm吸收线，便不需进行进一步的检测。钻石结构荧光仪可用来观察合成钻石紫外荧光所表现出的立方·八面体式样，这是由于不同的生长区和生长带含杂质的浓度不同所致。

思考题

一、是非判断题

1珠宝市场上最常见的合成宝石是玻璃。

2钇铝榴石的代号是GGG。

3有无气液相包裹体是区分水晶与合成水晶的主要证据。

4用水热法可生产祖母绿，也可生产红宝石。

5弧形生长线是助熔剂法合成宝石的特征之一。

6摩尔硬度大于7的人工宝石中有SrTiO3这个品种。

7目前市场上的合成变石是水热法产品。

8见到小片状铂或合金包裹体的合成宝石即水热法的产品。

9合成祖母绿常见的针柱状、柱状包裹体，可以是方解石。

10合成的红宝石的色带总是弯曲的。

11钇铝榴石的代号是GGG。

12有无汽液相包裹体是区分水晶与合成水晶的主要依据。

二、选择题

1区分绿碧玺与合成绿色水晶时应使用：( )

a滤色镜

b偏光镜

c折光仪

2一般讲，助熔剂法合成宝石中的液滴状的包体是( )

a助熔剂的残余

b捕虏来的液体

c填隙的后生气液包体

3区分水热法合成红宝石与红宝石时，要观测：( )

a折射率

b有无同生气液包体

c有无金红石或锆石等同生包裹体

4“YAG”中文名称是：( )

a钇铝榴石

b镓榴石

c钛酸锶

5人工生长的下列宝石，哪种必须在宝石名称前冠以“合成”二字：( )

a金绿宝石

b钛酸锶

c钇铝榴石

6合成变色刚玉加入的着色离子是：( )

a钒

a铬

c钛

7任何一种具有与天然无机宝石相同化学成分，原子结构和物理性质的人工生长晶体都应称为：( )

a人造宝石

b人工宝石

c合成宝石

8用焰熔法可以合成( )

a钇铝榴石

b祖母绿

c尖晶石

d立方氧化锆

9冷坩埚(熔壳)法生产立方氧化锆所需的热来自( )

a液化石油气

b丙烷和氯

c高频电流

d高温电阻

10合成绿色水晶：( )

a有强二色性

b无二色性

c有弱二色性

11目前合成宝石或人造宝石中色散最强的是：( )

aα-SiC(α-碳硅石)

bSrTiO3(钛酸锶)

cTiO2(金红石)

12从熔体结晶的人工宝石中不会含( )

a气—液两相包裹体

b同生的气-液两相包裹体

c后生的气液两相包裹体

13目前人造GGG由以下途径形成：( )

a从熔体中结晶

b从溶液中结晶

c从气体中结晶

14助熔剂法合成祖母绿中的特征包裹体为：( )

a同生气液两相包裹体 b固相-气相两相包裹体 c指纹状气液两相包裹体

15提拉法合成变石的特征包裹体为：( )

a愈合裂隙中三相同生包裹体

b指纹状气液两相包裹体

c弯曲生长纹

16腰棱标有“GE POL”的改成白色的钻石是：( )

a用褐钻改的

b用**钻石改的

c用劣质绿色钻石改的

17下列仿钻材料中，热导率最接近钻石的是：( )

a合成CZ

b合成α-SiC

c合成刚玉

三、多项选择题

1合成Moissanite(α-SiC)的物理性质是：( )

a有一个n值为2417

b有双折射

c热导率高于钻石

d维氏硬度与钻石十分相似

e反射率高于钻石

2仿宝石 Imitation stones是指( )

a人工宝石模仿天然宝石的颜色、外观者

b人工宝石模仿天然宝石的特殊光学效应者

c某天然宝石模仿另一种天然宝石的特征

3天然水晶与合成水晶：( )

a可有菱面体与六方柱等单形组成晶体外形

b其化学式是SiO2·nH2O

c可有较强的多色性

d晶面条纹平行C轴

e任何切面上都有一个固定不变的折射率为1544

四、填空题

1焰熔法合成尖晶石的密度和折射率比镁铝尖晶石都( )。

2合成刚玉宝石主要方法有( )、( )、和( )。

3人造与合成宝石中代号CZ是( )，GGG是( )。

4合成紫水晶不仅需要在原料中加着色元素( )，还需经( )处理。

5合成宝石指其制取的全部或部分工艺过程是由人控制进行的。它们的( )、( )与它们所)和(对应的天然宝石基本相同。

6除拼合石之外，人工宝石的制造方法可分为：从熔体中结晶或冷凝，从( )中结晶及从( )中结晶，和( )等。

7水热法合成祖母绿的特征包裹体形状常为：( )、( )、( )。

8与水热法相比，助熔剂法合成宝石的优点是能在( )情况下加热熔剂和熔解各种原料，并使晶体在熔体中结晶。

9水热法合成的红宝石内部可见：( )、( )、( )、金属包裹体和( )。

河南工业大学材料学院超硬材料研究所成功合成出重2克拉、尺寸达82mm的高质量**钻石，该样品为内地重量和尺寸最大的人造金刚石单晶。此项成果标志着该校在国内人工合成钻石（宝石级金刚石）领域已处于领先地位。

优质宝石级金刚石单晶作为一种战略性资源，在工业、科技及国防等众多领域具有重要应用，市场前景广阔。世界上仅有美国、英国、日本等几个发达国家能够合成宝石级金刚石单晶。巨大的商业价值使得宝石级金刚石单晶的合成技术长期以来一直受到严密的封锁。

河南工业大学材料学院超硬材料研究所经过长期、大量的探索，成功掌握了合成优质宝石级金刚石单晶的核心技术，实现了3-8mm优质金刚石单晶的批量化生产，合成实验的重复性超过90%。

扩展资料

利用静态超高压(50～100kb，即5～10GPa) 和高温(1100～3000°C)技术，通过石墨等碳质原料和某些金属（合金）反应生成金刚石，其典型晶态为立方体(六面体)、八面体和六-八面体以及它们的过渡形态。

随着高温高压技术的发展，人造单晶金刚石最大尺寸已经可以做到8mm。到20世纪70年代开发的金属烧结聚晶金刚石(PCD)，人工合成金刚石材料已经成为自然单晶金刚石的唯一替代物。

金刚石聚晶由金刚石微粉与少量结合剂在高温高压下烧结而成，具有耐磨性高，抗冲击韧性强，热稳定性好和结构致密均匀等特点，广泛应用于制造石油，地质钻头和机加工工具和宝石加工等。

-人造金刚石

-人造钻石

　　钻石不是制作出来的，人们只是对它进行加工；

　　"钻石其实并不是打磨出来的，是用专业的切割刀具切割的,因为钻石的物理硬度是所有物质之首,大师们所用的工具的刀头也都是用钻石做的，只有精良的切割工艺才能成功地用钻石切割钻石。

　　钻石的切割过程

　　1划线：又叫标记，这是钻石切割的第一步，先检验钻坯、并在钻石表面做标记，要尽可能高地体现钻石的价值，划线员必须留意两点：既要尽量保持最大的重量，又要尽量减少内含物。

　　2 劈割：劈割师将划好线的钻坯安放在套架上固定，然后用另一颗钻石沿分割线削一个凹痕，再把方边刀具放在凹痕上，用手锤在劈刀上以合适的力敲击，钻石会沿纹理方向被劈成两半或多块。

　　3锯切：由于只有钻石才能切割钻石，因此锯片是一张在边缘涂有钻石粉及润滑剂的圆片。钻石固定在夹子上，锯盘以高速旋转，即可将钻石锯开。现代激光技术引入钻石切割，大大提高了钻坯的加工效率。

　　4 成型：锯开或劈开的钻石再送到打圆部门去打圆、成型，即按照设计要求将钻石做成设计的形状。

　　5起瓣、抛光：在一个涂有钻石粉和润滑油的铸铁圆盘上，车磨出所有瓣面（刻面），使钻石发出诱人的光彩

　　随着科学技术的进步，激光技术、电子计算机记述的引入，可以使钻坯的设计、切磨更加精确无误。但是，并不是每颗钻坯都必须经过全部五道工序，这须视钻坯的本身特点、所要达到的目标而定，但是任何钻石毛坯，有两道工序是必不可少的，这就是“划线”、“起瓣、抛光”。“扁平状”钻坯可能就不用劈割这道工序，加工祖母绿钻石就不须经“打圆”的工序。切割世界上最坚硬的宝石——钻石，不仅需要先进的设备，更需要切割师由丰富的经验、高度责任心和全神贯注，才能释放钻石全部的灵彩。钻石经过若干人之手，通过加工、镶嵌、制作后才成为一件钻石"

钻石，是经过琢磨的金刚石。金刚石是无色正八面体晶体，由碳原子以四价键链接，为目前已知自然存在最硬物质。

化学性质

在金刚石晶体中，碳原子按四面体成键方式互相连接，组成无限的三维骨架，是典型的原子晶体。每个碳原子都以SP3杂化轨道与另外4个碳原子形成共价键，构成正四面体。由于金刚石中的C-C键很强，所以所有的价电子都参与了共价键的形成，没有自由电子，所以金刚石硬度非常大，熔点在华氏6900度，金刚石在纯氧中燃点为720～800℃，在空气中为850～1000℃，在真空下2000～3000℃，而且不导电。在工业上，金刚石主要用于制造钻探用的探头和磨削工具，形状完整的还用于制造首饰等高档装饰品，其价格十分昂贵。

观赏用途

金刚石由于折射率高，在灯光下显得闪闪生辉，称作钻石。巨型的美钻可以价值连城。而渗有深颜色的钻石的价钱更高。当钻石带有蓝、绿或粉红色属十分罕有，而颜色深而鲜艳则价钱很高；目前最昂贵的有色钻石，要数带有浓艳红色的钻石。

钻石分为一型和二型两种，这主要是根据它是否含有N元素：一型含；二型不含。而蓝色的钻石是二B型的，是半导体。

工业用途

由于金刚石的硬度极高，科学家会利用高温高压制成金刚石微粒，用于沙纸、钻探、研磨工具之上，可以用来切削和刻画其他物质。

厘定的标准

传统厘定钻石价值高低的标准是“4C”制度，即卡、色泽、净度、和切割。

卡

卡，或译克拉、克拉（Carat），是钻石的质量单位。一卡相等于200毫克，相传早期钻石商人称量钻石所用的砝码为稻子豆树(carob)果实，一粒这样的果实大约就重200毫克。因为钻石的密度基本上相同，因此越重的钻石体积越大。越大的钻石越稀有，每卡的价值亦越高。下表为2005年时的价格比较。

净度

净度（Clarity）以钻石内的瑕疵多少决定。瑕疵可能是天然的杂质或裂痕。瑕疵的数量、位置、大小等都会影响评级。钻石矿开采出来的金刚石中，只有20%可以成为宝石，其余的因为瑕疵较多通常只能作工业用途。而20%的宝石级钻石中，大部分都包含肉眼可见的瑕疵。在此级别以上的钻石较为大众喜爱。至于属完美级别的钻石更为罕有，被称为“博物馆级”钻石。通常使用10倍放大镜观察钻石内部及表面瑕疵的大小、数量、分布及对钻石光彩影响的程度，分出等级。一般通行的净度分级如下：

FL - “Flawless”，完美无瑕。在十倍放大镜下内外俱无瑕疵。

IF - “Internally flawless”，内部无瑕。在十倍放大镜下只有表面有轻微花痕。

VVS1, VVS2 - “Very Very Slight”，非常非常小。在十倍放大镜下只有很难看见的瑕疵。VVS1 净渡高于VVS2。

VS1 and VS2 - “Very Slight”，非常小。在十倍放大镜下可看见瑕疵，但肉眼难以辨认。VS1净渡高于VS2。

SI1 and SI2 - “Slight Inclusions”，小瑕疵，肉眼可能看见。

I1, I2 and I3 - “Imperfect”，有瑕疵，可以被肉眼看见。

现代科技之下，有些钻石的瑕疵是可以修补的。不过修补过的钻石的价值会稍低。

泽

钻石的色泽会因为化学上的杂质而有所偏差。完全纯正的钻石应该是透明无色的。钻石偏向不同的颜色会影响它的价值。绝大部分的钻石都是因为带有氮原子而偏黄。白钻越偏黄，价值便越低。但是偏粉红或蓝的钻石价格却较高。颜色强烈偏向粉红或蓝的钻石可能是价值连城。

一般的方法是把钻石按偏黄的程度分为不同的等级，把样品与已知色级的比色石对比确定，以D级最高，Z 最低。

无色: D, E, F

接近无色: G, H, I, J

微黄: K, L, M

轻浅黄: N, O, P, Q, R

浅黄: S, T, U, V, W, X, Y, Z

切割

切割指金刚石是如何从原先开采的石矿中切割成宝石。切割往往是最能影响钻石的品量及价值的一个指标，但是它却没有单一的分级方法。